האטמוספירות של הפלנטות הענקיות עשויות ברובן מימן: בין 62% ל-92% ממסתן. רוב השאר הוא הליום, ויש בהן רק עקבות זעירות של תרכובות אחרות. זה שונה מאוד מהאטמוספירות של הפלנטות הארציות: לפלנטות הסלעיות יש רק מעטפת דקה של גזים, ורובם גזים כבדים יותר, כמו פחמן דו-חמצני, חנקן וחמצן.
באדיבות NASA
איך אנחנו יודעים ממה עשויות הפלנטות הענקיות? הצפיפות הממוצעת שלהן היא רמז חשוב להרכב הפנימי של העולמות האלה. צפיפות היא מסה חלקי נפח. את הנפח מודדים כשיודעים את המרחק לפלנטה, וממירים את הגודל הזוויתי שלה בשמיים לגודל אמיתי בעזרת משוואת הזווית הקטנה. את המסה מודדים בעזרת חוק הכבידה, מניתוח מסלולי הירחים שלה. הפלנטות הענקיות צפופות הרבה פחות מהפלנטות הארציות: הצפיפות הממוצעת שלהן היא 700 עד 1,600 ק"ג למטר מעוקב, לעומת 3,900 עד 5,500 ק"ג למטר מעוקב בפלנטות הארציות. לשם השוואה, צפיפות המים היא 1,000 ק"ג למטר מעוקב. שבתאי, שצפיפותו 700 ק"ג למטר מעוקב בלבד, היה צף במים כמו קוביית קרח – אילו היה אוקיינוס גדול מספיק! הצפיפות של כל ארבעת העולמות נמוכה בהרבה מזו של סלע. מכאן שהפלנטות הענקיות אינן עשויות סלע, אלא בעיקר קרחים, נוזלים וגזים בעלי צפיפות נמוכה.
אסטרונומים יכולים למדוד את הרכב הפלנטות בצורה ישירה יותר, בעזרת ספקטרומטרים בטלסקופים ובחלליות. כל יסוד או תרכובת בולעים אור באורכי גל מסוימים, ודפוס הבליעה מגלה ישירות את ההרכב הכימי של האטמוספירה. מאז 2022 תורם לכך גם טלסקופ החלל ג'יימס ווב, שצפה באטמוספירות של כל ארבעת ענקי הגז באינפרה-אדום. כך מוצאים תערובת של מימן והליום, בהרכב בסיסי דומה לזה של השמש, ושל כל שאר הכוכבים והגז באזור שלנו בגלקסיה. זה לא צירוף מקרים: זה היה הרכב החומר הגזי הדליל שמילא את מערכת השמש כשנוצרו הפלנטות. כשהפלנטות הענקיות גדלו לממדים עצומים, כוח המשיכה שלהן התחזק מספיק כדי ללכוד ולהחזיק חלק מהגז שסביבן, וכך קיבלו אטמוספירות מסיביות עשירות במימן. אף אחת מהפלנטות הארציות לא גדלה מספיק כדי לעשות זאת, ולכן האטמוספירות שלהן עשויות בעיקר מגזים שנוספו בתהליכים פנימיים, כמו פעילות געשית, וממקורות חיצוניים, כמו שביטים.
באדיבות NASA
העדות הטובה ביותר להרכב של פלנטה היא מדידה ישירה בתוכה. דמיינו את נופי העננים המדהימים שחללית הייתה פוגשת בצלילה לתוך האטמוספירה של פלנטה ענקית. ב-1995 נעשתה צלילה כזו לראשונה, כשהחללית גלילאו הצניחה גשושית לתוך האטמוספירה של צדק. לצערנו לא הייתה בגשושית מצלמה, אבל היא מדדה את הרכב העננים ותנאים סביבתיים אחרים. הגשושית התחממה יותר מהצפוי כשחדרה לאטמוספירה, כי האטמוספירה העמוקה הייתה חמה וצפופה יותר מהצפוי. לכן נדרשו למדענים כמה חודשים כדי לפענח את נתוני המכשירים, שפעלו מחוץ לטווח הטמפרטורות הרגיל שלהם. בסופו של דבר הראו הנתונים שבאטמוספירה של צדק אחוז המימן וההליום דומה בערך לזה שבשמש. נראה שיש בצדק יותר פחמן, חנקן, גופרית ויסודות כבדים אחרים מאשר בשמש; ייתכן שהם הגיעו מגופים בין-פלנטריים שפגעו בצדק. נמצאו מעט מולקולות אורגניות.
החוקרים הופתעו שהגשושית לא מצאה סימנים ברורים לשלוש שכבות העננים העיקריות שהניחו קודם לכן. היא מצאה רק ערפילים דקים בגובה שבו ציפו לענני אמוניה ולענני אמוניום הידרוסולפיד, ולא מצאה שכבה סמיכה בגובה הנמוך, שבו ציפו לענני מים. היא גם מדדה פחות אדי מים מהצפוי. כיום המדענים חושבים שהגשושית נכנסה במקרה ל"נקודה חמה" יבשה במיוחד. החללית ג'ונו מצאה מאוחר יותר שכמות המים והאמוניה משתנה לפי קו הרוחב והעומק. הפתעה נוספת היו הרוחות: הן לא נחלשו בעומק, כפי שציפו, אלא התחזקו, והגיעו לכ-650 קמ"ש מתחת לעננים. ככל שהגשושית ירדה, היא מדדה טמפרטורות גבוהות יותר. בקשר האחרון איתה היא היטלטלה על חבלי המצנח ברוחות העזות, באזור שמתחת לעננים, שבו לחץ האוויר היה גבוה פי 22–23 מהלחץ על פני כדור הארץ (כמו הלחץ בעומק של כ-230 מטרים באוקיינוס), והטמפרטורה הייתה כ-420 קלווין (כ-150 מעלות צלזיוס). הגשושית של גלילאו אישרה כמה רעיונות קודמים, אבל גם העלתה שאלות חדשות.
החללית השנייה שהקיפה את צדק הייתה ג'ונו. היא שוגרה ב-2011, ונכנסה ב-2016 למסלול קוטבי סביב צדק. זו הייתה החללית הראשונה לצדק שקיבלה את האנרגיה שלה מלוחות סולריים, ולא ממחוללים רדיואיזוטופיים. הנתונים של ג'ונו שינו את התיאוריה על היווצרות הברקים בצדק. היא צפתה בקבוצות יציבות של סופות ציקלון סביב הקטבים, והראתה שהמגנטוספירה של צדק לא אחידה ותוססת. היא גילתה שהרצועות האדומות והלבנות של צדק מגיעות לעומק של אלפי קילומטרים, ושפנים צדק אינו מעורבב באופן אחיד. מכאן הסיקו המדענים שלצדק אין ליבה מוצקה, כפי שחשבו קודם, אלא ליבה "מדוללת", שבה היסודות הכבדים מתערבבים בהדרגה במימן המתכתי שסביבם. המשימה של ג'ונו הוארכה ב-2021 עד ספטמבר 2025.
המקבילה של גלילאו וג'ונו בשבתאי הייתה המשימה קאסיני, שחקרה בפירוט רב את שבתאי, את טבעותיו ואת ירחיו בשנים 2004–2017. קאסיני הייתה החללית הראשונה שנכנסה למסלול סביב שבתאי. היא נשאה את הגשושית הויגנס של סוכנות החלל האירופית, שנחתה ב-2005 על טיטאן, הירח הגדול של שבתאי. קאסיני גילתה אוקיינוס תת-קרקעי וגייזרים של קרח בירח הקטן אנקלדוס, ומיפתה את פני השטח של טיטאן ואת האגמים שלו, העשויים אתאן ומתאן. בסיום משימתה צללה קאסיני לתוך האטמוספירה של שבתאי.
לכל ענקי הגז יש אטמוספירות גדולות עם יחס דומה בין מימן להליום, אבל הם שונים זה מזה בשאר המרכיבים. זה הרכב האטמוספירה של כל אחת מהן (באחוזים מהנפח):
• צדק: גזים – מימן (H2) כ-90%; הליום כ-10%; מתאן כ-0.3%; אמוניה כ-0.026%; מימן כבד (HD) כ-0.003%; אתאן 0.0006%; מים 0.0004%. קרחים – אמוניה, מים, אמוניום הידרוסולפיד (NH4SH).
• שבתאי: גזים – מימן כ-96%; הליום כ-3%; מתאן כ-0.4%; אמוניה כ-0.01%; מימן כבד (HD) כ-0.01%; אתאן 0.0007%. קרחים – אמוניה, מים, אמוניום הידרוסולפיד.
• אורנוס: גזים – מימן כ-83%; הליום כ-15%; מתאן 2.3%; מימן כבד (HD) כ-0.009%. קרחים – אמוניה, מים, אמוניום הידרוסולפיד, מתאן.
• נפטון: גזים – מימן כ-80%; הליום כ-19%; מתאן כ-1.5%; מימן כבד (HD) כ-0.019%; אתאן כ-0.00015%. קרחים – אמוניה, מים, אמוניום הידרוסולפיד, מתאן.
→ הסעיף הקודם: 7.1 פלנטות גז ענקיות | הסעיף הבא: 7.3 עננים בענקי הגז ←